WO2005026774A1 - Umgebungsüberwachungssystem mit nachtsichteinheit und entfernungsmesseinheit - Google Patents

Umgebungsüberwachungssystem mit nachtsichteinheit und entfernungsmesseinheit Download PDF

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Günther Fendt
Josef Bärenweiler
Helmut Riedel
Joachim Massen
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
A.D.C. Automotive Distance Control Systems Gmbh
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the invention relates to an environmental monitoring system with a night vision unit and a distance measuring unit, in particular for motor vehicles.
  • Night vision units are known for military applications and are also discussed and tested for the improvement of traffic safety for motor vehicles.
  • distance measuring units for assessing the surrounding situation in vehicles which determine distance information to objects in the target area in the direction of travel of the vehicle and, depending on this, regulate further variables in the motor vehicle, for example the speed and thus the distance to the vehicle in front, or impending collisions Objects in the direction of travel are recognized.
  • the target area is usually actively illuminated with electromagnetic waves in order to enable the short reception times required for the high dynamics of the environment.
  • electromagnetic waves In addition to radar systems, systems in the infrared range are particularly suitable.
  • night vision receivers and distance measuring devices differ both in terms of the resolution and the type of lighting signal shape required.
  • a high frequency is used for the distance measurement
  • Modulation of the lighting signal is required, within which a high-resolution night vision camera can usually not work.
  • the object of the invention is therefore to present a versatile and at the same time inexpensive environmental monitoring system. This object is solved by the features of claim 1. Advantageous further developments can be found in the subclaims.
  • the night vision unit and the distance measuring unit have at least one common transmitter which emits pulse-like modulated electromagnetic waves for a predetermined transmission duration, the transmission duration, possibly also the modulation frequency and the exposure time of the
  • Receiver for the night vision unit are selected so that the exposure time detects a • plurality of pulses of the pulse-shaped modulated electromagnetic waves and the sum of these pulses is evaluated for the night vision image.
  • the exposure time required for the high-resolution image camera and the signal-to-noise ratio associated therewith can be achieved without the high-frequency modulation required for the distance measurement being impaired.
  • the common transmitter generates a pulse signal, which has a lighting phase and a lighting pause, a high-frequency pulse sequence consisting of a number of individual pulses separated by short pauses being emitted within a lighting phase and interference light detection or suppression being able to take place during the lighting pause.
  • the receivers of the night vision unit and the distance measuring unit are synchronized in time with the pulse signal of the transmitter, i.e. the exposure periods are controlled accordingly, the exposure duration of the night vision unit approximately corresponding to the length of a pulse sequence, that is to say over several individual pulses of the pulse sequence.
  • the synchronization can take place internally by a signal from a control unit which clocks the common transmitter and the receiver.
  • the pulse signal preferably has a sequence of lighting phases and
  • Lighting pauses, the frequency of the high-frequency pulse train being changed between two lighting phases. As a result, the measuring range of the unique distance determination can be expanded.
  • the high-frequency pulse sequence of the lighting phase can in each case be pseudo-noise-coded. In this way, interference from ambient light or in particular other vehicles with similar environmental monitoring systems can be avoided.
  • the invention is particularly suitable for environmental surveillance systems in which an infrared-sensitive 3D distance image camera is used as the receiver for the distance measuring unit and, in contrast, a higher-resolution infrared image camera is used for the night vision unit.
  • the distance image of the distance image camera and the high-resolution image of the infrared image camera are preferably compared in an evaluation unit of the night vision unit, and objects are recognized via predetermined patterns and these are optically highlighted in the image of the night vision unit.
  • Figure 1 vehicle with an environmental monitoring system with night vision and distance measuring unit and a common IR transmitter
  • FIG. 1 shows a vehicle 1 with an environmental monitoring system consisting of a night vision unit 2 and a distance measuring unit 3 and a common transmitter 4, here sketched as an infrared light source.
  • the respective receivers 21 and 31 of the night vision unit 2 and the distance measuring unit 3 are sketched here in the immediate vicinity of the common transmitter 4 in the roof area behind the windshield of the vehicle, but can also be mounted elsewhere in the vehicle or integrated into a structural unit or even a semiconductor component which then has pixels sensitive to the high-frequency modulated pulse signal for distance measurement as well as pixels for image acquisition or can control the pixels accordingly. It is only essential that both reception modes can work with one and the same transmitter 4, in which a high-frequency modulated signal is emitted in the lighting phases, which is suitable for distance measurement, and the coloring or gray image information over several such pulses of the high-frequency modulated signal is recorded.
  • a common pre-evaluation circuit 5 is provided in FIG. 1, which compares the gray image signal of the receiver 21 of the night vision unit 2 with the distance image of the receiver 31, recognizes objects by pattern comparison and can be optically highlighted in the night vision image, with the resolution for this the distance image does not necessarily have to correspond to that of the gray image.
  • the night vision unit 3 has a display device (not shown in more detail) for visualizing the night vision image, for example for the driver.
  • the type of illumination by the common transmitter 4 is to be explained in more detail with reference to FIG. 2.
  • the transmitter 4 in this case an infrared source, emits a pulse signal which basically consists of lighting phases (here numbered 1 to 7) and lighting pauses in between, the pauses being able to be used to detect or suppress interference light.
  • the lighting phase has a duration of T_1 and a plurality of high-frequency individual pulses, the length of the individual pulses T_0 and their spacing from one another being pseudo-noise-coded and therefore variable within each lighting phase here in this exemplary embodiment.
  • the distance measuring unit can derive the distance to objects in the target area from the sequence of the high-frequency individual pulses, for example by correlating the transmitted and received signals.
  • the particular advantage of the invention is that the receiver 21 of the night vision unit detects a plurality of individual pulses and integrates the amount of light over this time by means of a correspondingly long exposure duration, which here corresponds approximately to the length TJ of an illumination phase, and thus a brightness sufficient for a high-resolution image to achieve.

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Abstract

Es wird ein Umgebungsüberwachungssystem mit einer Nachtsichteinheit und einer Entfernungsmesseinheit vorgestellt, wobei ein gemeinsamer Sender zur Emission von elektromagnetischen Wellen in das zu überwachende Zielgebiet vorgesehen ist. Die elektromagnetischen Wellen sind für die Entfernungsmessung in eine Folge hochfrequenter Einzelimpulse moduliert, wobei die Sendedauer der Empfänger und die Belichtungszeit des Empfängers für die Nachtsichteinheit so gewählt sind, dass eine Mehrzahl von Impulsen der impulsförmig modulierten elektromagnetischen Wellen erfasst und für das Nachtsichtbild die Summe dieser Impulse ausgewertet wird. Pausen zwischen den Impulsfolgen sind so gewählt, dass das Störlicht ausgetastet und nachfolgend im Nachtsichtbild eliminiert werden kann.

Description

Umgebungsüberwachungssystem mit Nachtsichteinheit und Entfernungsmesseinheit
Die Erfindung betrifft eine Umgebungsüberwachungssystem mit einer Nachtsichteinheit und einer Entfernungsmesseinheit insbesondere für Kraftfahrzeuge. Nächtsichteinheiten sind für militärische Anwendungsgebiete bekannt und werden zudem für die Verbesserung der Verkehrssicherheit auch für Kraftfahrzeuge diskutiert und erprobt.
Darüber hinaus sind Entfernungsmesseinheiten für die Beurteilung der Umgebungssituation in Fahrzeugen bekannt, welche eine Abstandsinformation zu Objekten im Zielgebiet in Fahrtrichtung des Fahrzeuges ermitteln und in Abhängigkeit davon im Kraftfahrzeug weitere Größen, beispielsweise die Geschwindigkeit und damit der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug geregelt wird oder drohende Kollisionen mit Objekten in Fahrtrichtung erkannt werden.
Für beide Anwendungsfälle wird das Zielgebiet in der Regel mit elektromagnetischen Wellen aktiv beleuchtet, um für die hohe Dynamik der Umgebung erforderliche kurze Empfangszeiten ermöglichen zu können. Neben Radarsystemen kommen dabei insbesondere Systeme im Infrarotbereich in Betracht.
Nachtsichtempfänger und Entfernungsmesseinrichtungen unterscheiden sich jedoch sowohl hinsichtlich der Auflösung als auch der Art der erforderlichen Beleuchtungssignalform. Für die Entfernungsmessung ist dabei eine hochfrequente
Modulation des Beleuchtungssignals erforderlich, innerhalb welcher eine hochauflösende Nachtsichtkamera in der Regel nicht arbeiten kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vielseitiges und zugleich kostengünstiges Umgebungsüberwachungssystem vorzustellen. Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass Nachtsichteinheit und Entfernungsmesseinheit zumindest einen gemeinsamen Sender aufweisen, welcher für eine vorgegebene Sendedauer impulsförmig modulierte elektromagnetische Wellen aussendet, wobei Sendedauer, ggfs. auch Modulationsfrequenz und die Belichtungszeit des
Empfängers für die Nachtsichteinheit so gewählt sind, dass die Belichtungszeit eine • Mehrzahl von Impulsen der impulsförmig modulierten elektromagnetischen Wellen erfasst und für das Nachtsichtbild die Summe dieser Impulse ausgewertet wird. Dadurch kann die für die hochauflösende Bildkamera erforderliche Belichtungszeitdauer und der damit verbundene Signalrauschabstand erreicht werden, ohne dass die für die Entfernungsmessung erforderliche hochfrequente Modulation beeinträchtigt würde.
Der gemeinsame Sender erzeugt ein Impulssignal, welches ein-e Beleuchtungsphase und Beleuchtungspause aufweist, wobei innerhalb einer Beleuchtungsphase jeweils eine hochfrequente Impulsfolge bestehend aus einer Anzahl von durch kurze Pausen getrennten Einzelimpulsen ausgesendet wird und in der Beleuchtungspause eine Störlichterfassung bzw. Unterdrückung erfolgen kann. Die Empfänger der Nachtsichteinheit und der Entfernungsmesseinheit werden zeitlich auf das Impulssignal des Senders synchronisiert, d.h. die Beiichtungszeiträume entsprechend gesteuert, wobei die Belichtungszeitdauer der Nachtsichteinheit annähernd der Länge einer Impulsfolge entspricht, also über mehrere Einzelimpulse der Impulsfolge geht. Die Synchronisierung kann dabei intern durch ein Signal einer Steuereinheit erfolgen, welche den gemeinsamen Sender und die Empfänger taktet. Vorzugsweise weist das Impulssignal eine Abfolge von Beleuchtungsphasen und
Beleuchtungspausen auf, wobei zwischen zwei Beleuchtungsphasen die Frequenz der hochfrequenten Impulsfolge verändert wird. Dadurch kann der Messbereich der eindeutigen Entfernungsbestimmung erweitert werden.
Zudem oder alternativ kann die hochfrequente Impulsfolge der Beleuchtungsphase jeweils pseudo-noise-codiert sein. Dadurch können Störeinflüsse durch Umgebungslicht oder insbesondere auch andere Fahrzeuge mit gleichartigen Umgebungsüberwachungs- systemen vermieden werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Umgebungsüberwachungssystem, bei denen als Empfänger für die Entfernungsmesseinheif eine Infrarotempfindliche 3D- Entfernungsbildkamera und für die Nachtsichteinheit eine demgegenüber hochaufiösendere Infrarotbildkamera verwendet wird.
Vorzugsweise wird in einer Auswerteeinheit der Nachtsichteinheit das Entfernungsbild der Entfernungsbildkamera und das hochauflösende Bild der Infrarotbildkamera verglichen und über vorgegebene Muster Objekte erkannt und diese im Bild der Nachtsichteihheit optisch hervorgehoben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele noch näher beschrieben werden. Figur 1 Fahrzeug mit einem Umgebungsüberwachungssystem mit Nachtsicht- und Entfernungsmesseinheit und einem gemeinsamen IR-Sender
Figur 2 Impulssignal über mehrere Beleuchtungsphasen hinweg
Die Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einem Umgebungsüberwachungssystem bestehend aus einer Nachtsichteinheit 2 und einer Entfemungsmesseinheit 3 und einem gemeinsamen Sender 4, hier skizzenhaft als Infrarotlichtquelle dargestellt.
Die jeweiligen Empfänger 21 und 31 der Nachtsichteinheit 2 und der Entfernungsmesseinheit 3 sind hier in unmittelbarer Nähe des gemeinsamen Senders 4 im Dachbereich hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs skizziert, können aber auch an anderer Stelle im Fahrzeug montiert werden oder zu einer Baueinheit oder gar einem Halbleiterbauelement integriert werden, welches dann sowohl auf das hochfrequent modulierte Impulssignal empfindliche Pixel zur Entfernungsmessung als auch Pixel zur Bilderfassung aufweist bzw. die Pixel jeweils entsprechend steuern kann. Wesentlich ist nur, dass beide Empfangsmodi mit ein und dem selben Sender 4 arbeiten können, in dem ein hochfrequent moduliertes Signal in den Beleuchtungsphasen emittiert wird, welches zur Entfernungsmessung geeignet ist und über mehrere solche Impulse des hochfrequent modulierten Signals hinweg die Färb- bzw. Graubildinforrnation erfasst wird.
Als besondere Ausgestaltung ist in Fig. 1 noch eine gemeinsame Vorauswerteschaltung 5 vorgesehen, welche das Graubildsignal des Empfängers 21 der Nachtsichteinheit 2 mit dem Entfernungsbild des Empfängers 31 verglichen wird, durch Mustervergleich Objekte erkannt und diese im Nachtsichtbild optisch hervorgehoben werden können, wobei hierfür die Auflösung des Entfernungsbildes nicht unbedingt der des Graubildes entsprechen muß.
Die Nachtsichteinheit 3 verfügt über eine nicht näher dargestellte Anzeigevorrichtung zur Visualisierung des Nachtsichtbildes bspw. für den Fahrer.
Anhand der Fig. 2 soll die Art der Beleuchtung durch den gemeinsamen Sender 4 noch näher verdeutlicht werden. So emittiert der Sender 4, hier eine Infrarot-Quelle, ein Impulssignal, welches grundsätzlich aus Beleuchtungsphasen (hier mit 1 bis 7 nurnmeriert) und dazwischenliegenden Beleuchtungspausen besteht, wobei die Pausen zur Erfassung bzw. Unterdrückung von Störlicht genutzt werden können. Jede
Beleuchtungsphase weist eine Dauer von T_1 und eine M ehrzahl von hochfrequenten Einzelimpulsen auf, wobei die Länge der Einzelimpulse T_0 und deren Abstand zueinander hier in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb jeder Beleuchtungsphase pseudo-noise-codiert und damit variable! ist. Aus der Abfolge der hochfrequenten Einzelimpulse kann die Entfernungsmesseinheit bspw. durch Korrelation des gesendeten und empfangenen Signals die Entfernung zu Objekten im Zielgebiet ableiten.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt nun darin, dass der Empfänger 21 der Nachtsichteinheit eine Mehrzahl von Einzelimpulsen erfasst und durch eine entsprechend lange, hier annähernd der Länge TJ einer Beleuchtungsphase entsprechenden Belichtungsdauer die Lichtmenge über diese Zeit integriert und so eine für ein hochauflösendes Bild ausreichende Helligkeit zu erzielen.
Diese Messungen können natürlich über mehrere Beleuchtungspausen hinweg wiederholt werden und jeweils in einem größeren Zeitrahmen, hier T_d mit 4 Beleuchtungsphasen jeweils ein Bild erzeugen, wobei die Signale der vier Beleuchtungsphasen miteinander verglichen und auch so nochmals Störungen eliminiert werden können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1) Umgebungsüberwachungssystem, insbesondere für Fahrzeuge (1), mit einer Nachtsichteinheit (2), welche zumindest einen Sender für die Aussendung von elektromagnetischen Wellen in ein zu überwachendes Zielgebiet und zumindest einem für Reflexionen dieser Wellen empfindlichen Empfänger aufweist, welcher die vom Zielgebiet reflektierten Wellen erfasst und daraus ein Bild vom Zielgebiet ableitet, einer Entfernungsmesseinheit (3), welche zumindest einen Sender für die Aussendung von impulsförmig modulierten elektromagnetischen Wellen in das zu überwachende Zielgebiet und zumindest einem für diese Wellen empfindlichen Empfänger aufweist, welcher die vom Zielgebiet reflektierten Wellen erfasst und daraus ein Entfernungsbild vom Zielgebiet ableitet, wobei Nachtsichteinheit und Entfemungsmesseinheit zumindest einen gemeinsamen Sender (4) aufweisen, welcher für eine vorgegebene Sendedauer impulsförmig modulierte elektromagnetische Wellen aussendet, wobei Sendedauer und die Belichtungszeit des Empfängers für die Nachtsichteinheit so gewählt sind, dass die Belichtungszeit eine Mehrzahl von Impulsen der impulsförmig modulierten elektromagnetischen Wellen erfasst und für das Nachtsichtbild die Summe dieser Impulse ausgewertet wird.
2) Umgebungsüberwachungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass - der gemeinsame Sender ein Impulssignal erzeugt, welches zumindest eine Beleuchtungsphase und Beleuchtungspause aufweist, wobei innerhalb einer Beleuchtungsphase jeweils eine hochfrequente Impulsfolge bestehend aus einer Anzahl von durch kurze Pausen getrennten Einzelimpulsen ausgesendet wird, wobei die Empfänger der Nachtsichteinheit und der Entfernungsmesseinheit zeitlich auf das Impulssignal des Senders synchronisiert sind und die Belichtungszeit der Nachtsichteinheit annähernd der Länge einer Impulsfolge entspricht. 3) Umgebungsüberwachungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sendesi nal eine Abfolge von Beleuchtungsphasen und Beleuchtungspausen aufweist, wobei zwischen zwei Beleuchtungsphasen die Frequenz der hochfrequenten Impulsfolge verändert wird.
4) Umgebungsüberwachungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal eine Abfolge von Beleuchtungsphasen und Beleuchtungspausen aufweist, wobei die hochfrequente Impulsfolge der Beleuchtungsphase jeweils pseudo-noise-codiert ist.
5) Umgebungsüberwachungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfänger für die Entfernungsmesseinheit eine Infrarotempfindliche 3D-Entfernungsbildkamera und für die Nachtsichteinheit eine demgegenüber hochauflösendere Infrarotbildkamera verwendet wird.
6) Umgebungsüberwachungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungspausen länger als die Beleuchtungsphase dauern und in den Beleuchtungspausen ein vorhandener Stör- bzw. Umgebungslichtanteil erfasst und für die Nachtsichtauswertung elimiert wird.
7) Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Auswerteeinheit der Nachtsichteinheit das Entfernungsbild der Entfernungsbildkamera und das hochauflösende Bild der Infrarotbildkamera " ' verglichen und über vorgegebene Muster Objekte erkannt und diese im Bild der Nachtsichteinheit optisch hervorgehoben werden.
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